7.10. Taktgeber/Impulsgeneratoren und Prüfschaltungen

4.9.5. Prüfstifte und Handtester

Bei der Prüfung digitaler IS-Aufbauten kommt es meistens nur darauf an, logische Pegelwerte festzustellen sowie gelegentlich vorhandene Impulse nachzuweisen. Hierzu tastet man die entsprechenden Schaltungspunkte an (im allgemeinen direkt an den IS-Gehäusen von der Bauelementeseite der Leiterplatte aus). Nach dem bisher Gesagten sind dabei längere Zuleitungen zu den Prüfpunkten verboten, also muss man mit dem Prüfmittel dicht an den Meßpunkt herangehen. Deshalb werden entsprechende Prüfhilfen sehr vorteilhaft als kleine Handgeräte in Stift oder flacher Rechteckform gebaut. Als Tastspitze eignet' sich Bronzefederdraht ausreichender Stärke, bis kurz vor die Spitze isoliert. Die Stromversorgung für derartige Tester ist im allgemeinen direkt als Speiseschaltung des Prüflings oder sonst in einem geeigneten Speiseteil vorhanden. Dabei ist jedoch stets auf gute und kurze Masseverbindung zwischen Tester und Prüfling zu achten. Außer der Tastspitze führt man eventuell eine zusätzliche kurze Masseleitung heraus, die in Nähe des Prüfpunktes mit an Prüflingsmasse gelegt wird. Die im folgenden beschriebenen Tester wurden sämtlich komplett auf Lochrasterplatten 25 mm x 35 mm (Bauhöhe maximal 10 mm) aufgebaut, für die geeignete durchsichtige Polystyrolgehäuse vorhanden waren. Sehr gut bewährt hat sich auch ein rückseitiges Verstreichen der konventionell verdrahteten Platte (Verdrahtungsseite) mit CENUSIL-Silikonkautschukkleber, der für den kompletten Tester auch ohne Gehäuse gute mechanische Stabilität ergibt und sich im Reparaturfall von der Verdrahtung leicht wieder abschälen lässt. Wichtig bei allen derartigen Testern sind die IS-Stützkondensatoren (33(nF) sowie eine Verpolschutzdiode in der Speiseleitung.

4.9.5.1. Logiktester für TTL-Pegel

Für das Überprüfen von TTL-Schaltungen hat ein Logiktester etwa die gleiche Bedeutung wie für den Elektriker der Glimmlampenspannungsprüfer, er ist schlechthin unentbehrlich auch für den Amateur. Im folgenden werden mehrere Varianten unterschiedlichen Aufwands und Gebrauchswerts gezeigt. Die einfachste Ausführung benötigt 'nur eine D100 (Bild 4.216). Die Schaltung ist vollständig (einschließlich Speiseleitungen für die IS) dargestellt. Die Gatter D3, D4 bilden den bekannten RS-FF, D2 wirkt als Inverter, so dass die Eingänge des FF stets gegentaktig angesteuert sind. Das Gatter Dl wird (weil ohnehin vorhanden) zum Entkoppeln benutzt. Falls man für die IS eine D 110 (oder notfalls D 100 mit einem defekten Gatter) verwendet, kann D1 entfallen, allerdings wird dann der Prüfpunkt lastet. Die Bedeutung der Leuchtdioden V i und V2 ist dabei gegenüber den Angaben in Bild 4.216 zu vertauschen. 
Wenn bei E H-Pegel vorhanden ist (oder Eingang E offen ist), - leuchtet V 1. Bei L-Pegel am Eingang leuchtet V2. Nachteilig ist dabei, dass Zwischenwerte im verbotenen Pegelbereich nicht erkannt wer, den, außerdem kann schlechter Kontakt der Prüfspitze (offener Eingang E) fälschlich H-Pegel am Prüfpunkt vortäuschen. Diese Schaltung genügt daher nur einfachsten Ansprüchen. Falls keine Leuchtdioden zur Verfügung stehen, benutzt man eine Ausweichlösung mit Glühlampen nach Bild 4.216b. Die Diode V3 wird nach der vorzugsweise benutzten Speisespannung (möglich sind 4,5...6 V) gewählt. Die Variante mit Glühlampen lässt sich auch für die folgenden Schaltungen benutzen, sie ist aber wegen des hohen ,Stromverbrauchs und der schlechten Erkennbarkeit von Helligkeitsunterschieden (wenn Impulsfolgen am Eingang E auftreten) sehr ungünstig.
Bild 4.217 zeigt eine Logiktester-Schaltung, die allen Amateuransprüchen genügt. Mit den Dioden V 1... V3 und dem Transistor V4 werden die Ansprechschwellwerte für die Logikpegel bei 0,8 V und 2,0 V festgelegt, der dazwischenliegende »verbotene Bereich« sowie offene Gattereingänge (fehlende oder defekte Zuleitungen) werden mit der Leuchtdiode V7 angezeigt. Der RS-FF D2, D3 speichert das jeweils zuletzt registrierte Potential. Man kann daher auch nach Wegnahme der Tastspitze vom Prüfling (oder bei unsicherem Kontakt der Tastspitze E) ablesen. Hat E keinen Kontakt oder liegt ein Pegel zwischen 0,7...2,1 V an, so leuchtet zusätzlich zu V6 oder V5 noch V7 auf. Verlischt V6, so ist gesichert, dass die Prüfspitze einwandfrei kontaktiert. Liegt bei E eine Impulsfolge an, so leuchten V6 und V5 abwechselnd (bei höheren Frequenzen scheinbar zugleich) auf. Aus dem eventuellen Helligkeitsunterschied zwischen V6 und V5 kann dabei. grob auf das Impulsverhältnis und die vorherrschende Impulspolarität geschlossen werden. Tastverhältnisse bis etwa 20:1 sind mit Leuchtdioden noch gut erkennbar. Die in Bild 4.217 mit angegebenen Ansprechschwellwerte sind im wesentlichen durch die Schleusenspannungen der Dioden V 1... V3 festgelegt, je nach deren Typ schwanken sie daher etwas. Will man die angegebenen Werte genau erreichen, so sollte der Diodentyp SAY15 (ersatzweise SAY32 oder SAY16) verwendet werden oder die Exemplare nach Versuch entsprechend ausgewählt sein. Für den Transistor V4 ist, um auch Impulsfolgen hoher Frequenz noch nachweisen zu können, möglichst ein HF-Typ einzusetzen. Mehrere Mustergeräte waren mit der in Bild 4.217 angegebenen Bestückung bis über 10 MHz einsatzfähig.
Eine interessant abgewandelte Schaltung zeigt Bild 4.218. Zwar lässt sich ein derartiger Tester immer so aufbauen, dass die Leuchtdioden gut im Blickfeld der Tastspitze liegen und daher zugleich mit dem Meßpunkt beobachtet werden können trotzdem ist manchmal eine akustische Kontrolle (Ohrhörer) nützlich. Die Eingangsschaltung bis Dl und D4 entspricht (auch in allen angegebenen Daten) der nach Bild 4.217. Statt des FF sind aber 2 Tongeneratoren (nach Bild 4.97 kombiniert) vorhanden. Liegt der Eingangspegel im »verbotenen Bereich«, so ist Ausgang D4= L, somit D6 gesperrt und im Ohrhörer B1 kein Ton wahrnehmbar. V5 in Bild 4.218 leuchtet dabei auf und ermöglicht die Einschaltkontrolle für den Tester. Bei H-Pegel am Eingang E wird V4 gesperrt, Ausgang Dl somit L, D4 sperrt und gibt D6 frei. D2 bleibt vom Ausgang Dl gesperrt. Der untere Generator (D5, D3) arbeitet mit einer Frequenz vor =1 kHz, die als hoher Ton hörbar wird. Liegt L am Eingang E, so ist Ausgang Dl = H und (über die Diode V3) Eingang D5 mit L-Pegel gesperrt. Jetzt arbeitet der obere Generator (D2, D3) mit einem tiefen Ton ~ 200 Hz. Im übrigen gilt alles zu Bild 4.217 Gesagte auch hier, jedoch wird der letzte Anzeigewert nicht gespeichert, und das Erkennen von Impulsfolgen ist mit diesem Tester nur in begrenztem Maße mit etwas Übung möglich. Die Gatter D2 und D5 sollen nicht in der gleichen IS enthalten sein.
Sehr kurze (schmale) Impulse mit größeren Pausen an einem Prüfpunkt (Zählertaktsignale u. ä.) erkennt der Tester nach Bild 4.217 nicht. Der Tester zeigt dann das normal vorhandene Ruhepotential des Prüfpunkts (bzw. das zeitlich überwiegende. Potential) an. Zum Nachweis derartiger Impulse (auch einzeln auftretender) lässt sich die Schaltung Bild 4.217 mit der Ergänzung nach Bild 4.219 erweitern. Sie wird mit ihrem Eingang D1  parallel zum Eingang E in Bild 4.217 gelegt. 2 Impulsformergatter D 1, D2 sorgen dafür, dass stets eine geeignete Auslöseflanke für den nachfolgenden Monoflop (D3, D4, V4) zur Verfügung steht. Der Monoflop wirkt als Impulsverlängerer und zeigt mit der Leuchtdiode V5 auch jeden einzelnen sehr kurzen Impuls durch kurzes Aufleuchten an. Die Leuchtdauer von V5 legt man mit R 1 und Cl nach Bedarf fest. Die in Bild. 4.219 angegebenen Werte ergeben einen mit etwa 0,3 s Leuchtzeit recht günstigen Wert. Ständige Impulsfolgen bei E werden von V5 durch rhythmisches Blinken, das aber nicht mit der Eingangsiimpulsfrequenz identisch ist, oder Dauerlicht angezeigt. Da auch extrem kurze Impulse (ns-Bereich) den Monoflop auslösen sollen, wird der Einfluss der Transistorgrenzfrequenz des Transistors V4 mit R2 und C2 umgangen. Über C2 löst der Monoflop sofort aus, wonach V4 nur noch den instabilen Zustand über die Haltezeit fixiert.
Abschließend zeigt Bild 4.220a als Anregung noch eine sehr einfache Testerschaltung, die ohne IS auskommt und die Schwellenspannungen der Transistoren V 1... V 3 (die sich hierbei addieren) als Ansprechgrenzwerte ausnutzt. Übersteigt die bei E anliegende Spannung 0,7 V, so öffnet zunächst V3, die Diode V6 leuchtet auf. Steigt die Spannung bei E über etwa 1,4 V, so leuchtet zusätzlich, die Diode V5 auf, und ab etwa 2,1 V bei E sind schließlich alle 3 Transistoren geöffnet und alle Dioden leuchten. Besonders genau ist dieser Tester nicht. Bild 4.220b zeigt eine originelle Anzeigemöglichkeit, die für diesen Zweck diskutabel sein kann, wenn eine 7-Segment-Anzeige VQB 71 gerade vorhanden ist oder z. B. ein Exemplar mit teilweise ausgefallenen, für Zahlendarstellung nicht mehr geeigneten Segmenten verwendet wird. Beim Schwellwert 0,7 V leuchtet der unterste Querstrich auf, bei 1,4V zusätzlich der mittlere, ab 2,1 V alle 3. Die Leuchtstriche markieren damit sinnfällig das vorhandene »Pegelniveau«. Der Dezimalpunkt der VQB 711äßt sich als Einschaltkontrolle fest anschließen. Entsprechend den Schwellwerten gilt für diese Anzeige: Für H-Pegel müssen alle 3 Striche aufleuchten, für L-Pegel keiner oder höchstens der unterste. Leuchten 2 Striche, so liegt der Pegel im verbotenen Bereich. Die Anzeige nach Bild 4.220b eignet sich recht vorteilhaft für die Variante in Bild 4.217. Bei Kombination von Bild 4.217 und Bild 4.219 kann der Dezimalpunkt der VQB 71 für Leuchtdiode V2 in Bild 4.219 verwendet werden.

4.9.5.2. Spike-Tester für dynamische Prüfungen

Zum Nachweis von kurzen Impulsspitzen, auch solchen, die, als Störimpulse (etwa durch Leitungsübersprechen) über den H-Pegel hinaus oder unter das L-Pegelniveau nach negativen Spannungswerten hin auftreten (Überschwingen u. ä.); eignet sich die Testerschaltung nach Bild 4.221. Sie besteht ähnlich wie Bild 4,219 aus einem impulsverlängernden Monoflop D2, D3, V2 mit Leuchtdiode V3 (die vorhandene Impulse durch Aufleuchten anzeigt). Der Eingang des Monoflop ist jedoch mit einer doppelten Differenzierstufe (Dl) versehen. Die Leuchtzeit für die Diode V3 kann mit Cl oder R 1 bei Bedarf geändert werden. Damit der Tester schon bei kürzesten Impulsdauern anspricht, sind (wie bei Bild 4.219) R2, C2 vorgesehen. Diese und die Werte der an Gatter D1 vorhandenen Bauelemente sollte man einhalten. Zusätzlich wurde Gatter D4 mit der Diode V4 benutzt, um gleichzeitig den vorhandenen statischen Pegel am Prüfpunkt erkennen zu können, Die Diode V4 leuchtet normal ständig (zugleich Einschaltkontrolle), bei L am Eingang El erlischt sie. Die vorhandenen 2 Eingänge reagieren wie folgt: E1 löst mit LH-Übergang den Monoflop aus (Aufblinken der Diode V3). Er reagiert also auf positiv gerichtete »Spikes« (als Spike wird eine kurze Störimpulsspitze bezeichnet), jedoch nicht auf positive Spikes über H-Pegel und nicht auf HL-Übergänge. Gleichzeitig verlischt die Diode V4, wenn die Spannung an El unter +0,7 V liegt.
V4 verlischt außerdem_ stets, sobald V3 aufleuchtet. E2 reagiert dynamisch auf HL-Übergänge, wenn diese TTL-gerecht steile Flanken haben (bei zu flacher Flanke wird der Monoflop nicht ausgelöst). Hiermit lässt sich also die korrekte Beschaffenheit z. B. von Zählertaktimpulsen überschlägig prüfen. Außerdem spricht E2 auf positive Spikes oder Überschwingen auch auf H-Pegel führenden Leitungen (d. h. auch bei Spikes, die im Pegelbereich zwischen 2,4...5,0 V auftreten!) sowie auf positive und negative Spikes über L-Pegel an. Durch abwechselndes Verwenden von E1 und E2 kann man unterscheiden: Wenn nur E2, aber nicht EI mit Blinken der Diode V3 reagiert, liegen positive Spikes über (statischem) H-Pegel oder negatives Überschwingen unter L-Pegel vor. Reagieren beide Eingänge gleichermaßen, liegen Spikes oder Signalimpulse im normalen Pegelbereich zwischen Hund L vor. Ständiges Blinken von V3 im Wechsel mit V4 weist eine ständige Impulsfolge (Taktimpulse u. ä.) nach, wobei aber die Blinkfrequenz der Leuchtdioden in einem Zusammenhang mit der vorhandenen Impulsfrequenz am Eingang steht. Die Schaltung spricht bereits sicher auf kurze Impulse im Nanosekundenbereich an, wie sie z. B. durch nichtsynchrones Schalten von Zählstufen oder, durch kapazitives Leitungsübersprechen, Überschwingvorgänge auf zu langen Leitungen usw. auftreten. Sie ist daher u. a. gut zur Störungssuche bei auftretenden Fehlschaltungen in Frequenzteiler-, Zähler- oder Decodierschaltungen geeignet.

4.9.53. RF-Testsignalgeber und Eichmarkengenerator

Besonders für Funkamateure sind die nachfolgenden HF-Signalgeber zu empfehlen. Als kleine Handgeräte aufgebaut, gestatten sie das Zuführen des Prüfsignals ohne Zwischenverbindungen direkt am Prüfling. Bild 4.222 zeigt einen einfachen HF-Generator, der NF-Modulation ermöglicht. Die Schaltung des HF-Generators bedarf keiner näheren Erklärung, sie hat funktionell Ähnlichkeit mit der bekannten Quarzoszülatorschaltung. L 1 und CI bestimmen die Frequenz der HF-Schwingung und werden je nach vorgesehenem Anwendungsbereich durch Versuch optimiert. Infolge der Impulsformung mit den Gattern D3 und D4 liefert die Schaltung am Ausgang A (eventuell Tastspitze) ein Rechtecksignal mit starkein Oberwellengehalt. Das Versuchsmuster wurde mit Ll = 50 Wdg. CuL 0,12mm auf einem 8-mm-Stiefelspulenkörper erprobt (Grundfrequenz im Kurzwellenbereich), hierbei waren Oberwellen bis in den Fernsehbereich (VHF) nachweisbar. Verwendet man eine D200, sind die Oberwellen noch im UHF-Bereich kräftig vorhanden. Als »Masseverbindung« genügt die Handkapazität. Die Speiseleitung muss gegen HF verdrosselt sein. Am zweiten Eingang des Gatters D4 besteht die Möglichkeit für beliebige externe Modulation. Mit S1 in Stellung 1 eignet sich der Tester auch als NF-Generator (Frequenz mit C2 bei etwa 500 Hz), in Stellung 2 ist die HF-Schwingung mit dieser NF moduliert und in Stellung 3 ummoduliert vorhanden. Für die Verwendung als Eichmarkengeber muss die Grundfrequenz genau bekannt sein. Man setzt dann den Quarzoszillator nach Bild 4.223 ein. Um den Oberwellengehalt zu steigern, erwies sich ein Monoflop (D3, D4) als nützlich. Mit einer D 100 sind kräftige Oberwellen bis mindestens etwa 30 MHz zu verzeichnen. Der Ausgangskondensator 10 nF schützt den Gatterausgang gegen Überlastung. Am zweiten Eingang des Gatters D4 kann bedarfsweise wiederum NF-Modulation erfolgen. Im punktierten Rahmen ist eine entsprechende Ergänzungsschaltung angedeutet, die je nach Anwendung auch entbehrlich ist. Mit C, lässt sich die Quarzfrequenz genau abgleichen. Im übrigen gilt alles zu Bild 4.222 Gesagte sinngemäß auch hier.

4.9.5.4. Einzeltaktgeber für Handeingabe

Zur Prüfung der Takt- oder Setzeingänge von FF, Zähl- oder Teilerstufen (auch D 172, D 174, D 192, D 193 u. ä.) ist es von Vorteil, einzelne Taktimpulse von Hand direkt am cp-Eingang des Prüflings, am Reseteingang usw. einspeisen zu können. Man benötigt dafür eine Möglichkeit zum prellfreien Schalten eines einzelnen von Hand auslösbaren kurzen Impulses. Die Schaltung nach Bild 4.224a ermöglicht es, solche Prüfungen leicht durchzuführen. Sie ist ebenfalls als kleines Handgerät mit Prüfspitze aufgebaut. Für Handtaste S1 eignet sich bei derartigen Bauformen ein Mikrostößeltaster besonders gut. Der FF (Dl, D2) ergibt den notwendigen prellfreien Schaltvorgang für den statischen Ausgang Ä2 (bedarfsweise kann man am Ausgang des Gatters D1 auch das negierte Signal X2 abnehmen), außerdem wird zugleich ein Monoflop ausgelöst, der bei Al und Äll die in Bild 4.224b als Impulsdiagramm dargestellten Signale abgibt. Es stehen also einzeln auslösbare Impulse mit etwa 0,5 ms Breite zur Verfügung. Mit kleinerem Cl und R 1 (Mindestwerte 47 pF und 160 f l) erreicht man auch noch kürzere Impulse. Wichtig ist bei diesem Tester eine möglichst kurze Masseverbindung zum Prüfling. Hierfür und für die vorhandenen, 3 oder 4 Ausgänge sollten eventuell umsteckbare Tastspitzen und (für Masse) kurze Verbindungslitzen vorgesehen werden. Als Miniatursteckverbinder eignen sich z. B. die aus [45] bekannten Wendel-Buchsen oder ähnliche Federsteckverbinder, wie sie z. B. aus dem Amateurelektronik-Bausteinprogramm bekannt sind. Bei der praktischen Prüfung an FF und Zählschaltungen hat sich dieses einfache Hilfsmittel als sehr vorteilhaft erwiesen.

4.9.5.5. Äquivalenztester

Bei umfangreicheren TTL-Schaltungen kommt es oft darauf an, zu ermitteln, ob 2 Signalleitungen oder Prüfpunkte (die funktionell miteinander verknüpft sind) in allen Betriebsfällen gleiche Pegel aufweisen oder nicht. Bei FF-Ausgängen Q und Q sollen z. B..- nie gleiche Pegel auftreten.. Man müsste mit einfachen Logiktestern dann diese Punkte entweder nacheinander antasten (wobei sich der Schaltzustand zwischenzeitlich geändert haben kann) oder 2 Logiktester verwenden. In solchen Fällen kann eine einfache Prüfanordnung nach Bild 4.225a nützlich sein. Beide Leuchtdioden werden antiparallel direkt zwischen die Gatterausgänge geschaltet. Vorwiderstände können dabei entfallen, weil die Einhaltung der Logikpegelwerte an den Gatterausgängen nichterforderlich ist. Die Funktionstabelle in Bild 4.225b zeigt die Signalzuordnung: Bei, Pegelgleichheit an beiden Eingängen EI, E2 sind stets beide Leuchtdioden erloschen.